Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Например, если бы наша Вселенная долго оставалась при температуре миллиард градусов или ядерные реакции протекали быстрее, все атомы превратились бы в железо. К счастью, расширение было достаточно быстрым, чтобы прервать ядерные реакции до того, как они смогли зайти дальше превращения 23 % водорода в гелий. Это яркий пример того, как космическое расширение создает такие отклонения от равновесия, что происходит далеко не то же самое, что происходило бы в сжимающейся вселенной.

Как первым отметил академик Сахаров, само наше существование зависит от необратимого эффекта, который установил превосходство вещества над антивеществом на очень раннем этапе развития Вселенной. Если бы этого не произошло, вся материя аннигилировала бы с равным количеством антиматерии, оставив Вселенную вовсе без атомов. Тогда не было бы звезд, а также никаких химических процессов, которые позволили бы появиться сложным структурам.

Время все еще задает загадки, для которых нет абсолютно никакого решения. Физик Джулиан Барбур провел неофициальный опрос специалистов, задав им вопрос: «Считаете ли вы, что время в самом деле является фундаментальным принципом, или его можно вывести из более простых понятий (например, так, как температура предмета выводится из хаотичного движения атомов, из которых предмет состоит)?» Ответы разделились достаточно явно, однако с небольшим перевесом большинство поддержало точку зрения о том, что время в конце концов объяснят через призму чего-то более глубокого.

Несомненно, пространство и время имеют сложную структуру. Мы знаем, что космос пронизан черными дырами, в которых пространство и время переплетены, их в нашей Галактике миллионы, а те, что расположены в центрах галактик, имеют гигантские размеры. Но эти сложные структуры ограничены районами, которые с космологической точки зрения можно назвать «местными». Почти полная однородность нашей Вселенной в масштабах сверхскоплений предполагает, что геометрия пространства является простой и гладкой в пределах нашего сегодняшнего поля зрения. О том же говорит тот факт, что реликтовое излучение имеет практически одну и ту же температуру на всем небе.

Расположенные к математике специалисты по космологии тем не менее задаются вопросом о том, не является ли эта простота иллюзией: возможно, мы в действительности видим один и тот же участок пространства, как в коридоре с зеркальными стенами или калейдоскопе, а на самом деле пространство свернуто или имеет какую-то сотовую структуру. Если бы мы в самом деле находились в такой странной вселенной, размер каждой соты должен был составлять по крайней мере несколько процентов прямой видимости (другими словами, иметь более нескольких сот миллионов св. лет в поперечнике). Мы знаем это, потому что, если ячейки будут меньше, мы будем видеть, как повторяются такие характерные структуры, как скопление галактик в созвездии Девы. Более жесткие ограничения появились после измерения маленьких неоднородностей в температуре реликтового излучения по всему небу. В них нет никакой регулярной структуры, поэтому теперь мы можем смело отбросить размер ячейки меньший, чем наш предел видимости.

О том, что находится за пределом видимости, установленным конечной скоростью света, наблюдения могут сказать нам немногое. Пространство может быть сложным образом свернуто в масштабах, намного превышающих 10 млрд св. лет. Могут даже быть изменения и в количестве измерений. Но мы никогда не получим ничего, кроме косвенных данных, о том, что происходит за пределом видимости любого телескопа.

А что же насчет очень маленьких масштабов? Здесь наши простые понятия, конечно, несостоятельны. В самом деле, возможно, нам придется схватиться с очень сложными понятиями, которые включают в себя и дополнительные измерения пространства, чтобы правильно понять частицы, силы и наши космические числа.

У нас было целое столетие, чтобы привыкнуть к мысли о том, что обычные вещества – твердые тела, жидкости и газы – имеют дискретную атомную или молекулярную структуру. Не может ли быть дискретного строения и у пространства, и у времени? Пространство кажется гладким континуумом, но это только из-за опыта, которым мы обладаем, и даже самые мудреные эксперименты слишком грубы, чтобы обнаружить тот самый масштаб, в котором такая структура может себя проявить.

Мы не знаем подробной микроструктуры пространства и времени, но самые общие рассуждения говорят о том, что они не могут быть разделены на сколь угодно мелкие частицы. Деталь соответствующего масштаба может быть обнаружена только с помощью излучения, имеющего длину волны короче этого масштаба. Например, здания не преграждают путь радиоволнам длиной во много метров, но отбрасывают тени, когда на них падает солнечный свет. Свет состоит из волн, имеющих длину в миллионную долю метра, поэтому ничто более мелкое нельзя увидеть с помощью обычного оптического микроскопа. Чтобы разглядеть более мелкие детали, требуются еще более короткие волны (или какие-то другие технические приспособления, такие как электронный микроскоп). Но согласно квантовой теории, более короткие волны связаны с бо́льшими квантами (или порциями) энергии.

Основной единицей измерения квантов энергии служит постоянная Планка (число, названное в честь великого физика Макса Планка, который столетие назад первым ввел представление о квантовании). До определенного момента мы можем искать все более мелкую деталь, со все возрастающей энергией используя кванты, связанные со все более короткими волнами. Но существует предел. Этот предел появляется, когда необходимый квант имеет такую концентрацию энергии, что сворачивается в черную дыру. Это происходит при достижении планковской длины, которая примерно в 10 19раз меньше протона; каждый квант с такой крошечной длиной волны несет в себе столько же энергии, сколько составляет энергия массы покоя 10 19протонов. Свету требуется примерно 10 –43секунд, чтобы преодолеть это расстояние, и это «планковское время» – кратчайший временной интервал, который может быть измерен. Поэтому даже пространство и время являются объектами квантовых эффектов. Тем не менее из-за слабости тяготения эти эффекты включаются в масштабах, значительно меньших обычных атомов, в то время как на типичных для мира атомов расстояниях управление берут на себя электрические силы. (Это последствие огромности нашего первого космического числа N.)

Некоторые физики-теоретики более склонны к домыслам, чем другие. Но даже самые дерзкие из них признают масштаб планковских величин как конечный предел. Мы не можем измерить расстояние меньшее, чем планковская длина; мы не можем разграничить два события (или решить, какое из них произошло первым), когда временной интервал между ними меньше планковского времени. Эти масштабы меньше атомов во столько же раз, во сколько сами атомы меньше звезд. В этом царстве нет никаких перспектив для непосредственных измерений: для них потребуются частицы с энергией в миллион миллиардов раз выше, чем можно получить в лаборатории.